車身一體壓鑄鋁后地板縱梁加強筋設計

摘 要：文章通過對比分析現有一體壓鑄鋁后地板加強筋方案，創新優化設計出新的加強筋方案，在減輕重量、降低成本，縮小縱梁高度以給整車布置獲得更大空間的同時，提高的車身后部碰撞性能，給后續設計人員提供了參考思路。

關鍵詞：一體壓鑄后地板 后縱梁 加強筋設計

1 緒論

2020年，中國汽車工程學會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》給出了汽車車身輕量化技術路線圖及分階段目標，從材料、工藝方面規劃了未來15年的車身輕量化發展方向。工信部、發改委、科技部聯合發布《汽車產業中長期發展規劃》，明確了要發展先進車用材料，引導汽車行業開展高強鋼、鋁合金、復合材料等的應用。根據政策導向及發展路線，新材料、新工藝的應用刻不容緩[1]。此外，隨著日益嚴苛的排放要求與新能源汽車提升續航里程的需求，汽車輕量化成為重點發展方向。汽車輕量化可以降低油耗、降低碳排放、提升動力性、提升制動性能、提升操穩、提升NVH等。

輕量化勢在必行，而車身已成為當前汽車各系統中最主要的輕量化對象[2]。

車身一體壓鑄鋁技術，能大幅簡化車身結構，推動車身制造工藝變革。一體壓鑄技術替代了沖壓和焊裝環節，將幾十甚至上百個零件簡化了一個零件，減少了白車身的零件數量，簡化了生產工序。鋁合金因其具有低密度、易成型、設計靈活、耐腐蝕等特點，在滿足復雜車身結構及工藝的同時減輕了整車重量，提高了車輛的續航里程。同時，一體壓鑄工藝可以將廢料回爐重造，極大地降低了材料的消耗，節省了原材料及運輸成本，提高了材料的循環利用率，具有極大的經濟效益。一體化壓鑄技術具有簡化工序、輕量化、提高生產效率、節約生產成本等多方面優勢。

2 研究現狀

伴隨著一體壓鑄技術的快速發展，考慮到安全碰撞和工藝鏈簡化，繼特斯拉首次采用一體壓鑄工藝后，國內各個主機廠都相繼在后地板區域采用一體壓鑄鋁技術。因鋁的材料力學性能遠遠低于鋼的性能，使得一體壓鑄后地板在碰撞過程中更容易開裂。因此，一體壓鑄后地板的結構設計對于后碰安全至關重要，需要用結構的設計優化去平衡原材料性能的不足，其中，后縱梁加強筋的設計優劣直接關系到碰撞性能是否能夠達成，同時也體現輕量化水平的高低。通常，縱梁加強筋的設計方案都是參考特斯拉的結構形式，如圖1所示，采用“十”字形、“X”形或“田”字形結構，對縱梁Z向高度的要求較大，同時為了滿足后碰性能需要在縱梁內布置密集的加強筋，導致輕量化的水平不高。

檢索近幾年來關于壓鑄鋁后地板的相關發明及實用新型專利如下：

（1）2018年廣州汽車集團股份有限公司的曾鑫等人申請的發明《一種車身后地板框架結構》如圖2所示。

（2）2020年廣州汽車集團股份有限公司的林佳武等人申請的實用新型《一種車輛后縱梁集成結構及車輛》如圖3所示。

（3）2022年小米汽車科技有限公司的劉超申請的實用新型《后地板總成和車輛》如圖4所示。

（4）2023年嵐圖汽車科技有限公司的方金剛等人申請的發明《一種后地板總成結構及汽車》如圖5所示。

（5）2023年重慶長安汽車股份有限公司的車躍光等人申請的發明《后車架連接件、后地板總成安裝結構以及汽車》如圖6所示。

由以上五組發明或實用新型專利圖示可見，所有縱梁的加強筋設計或為一條主筋貫穿首尾的魚骨型結構或為某種筋的簡單重復陣列，該種設計可以保證縱梁有足夠的強度去抵抗變形，但加強筋數量較多，增加重量和成本，不利于極致的輕量化設計，此外，在碰撞過程中力的傳遞路徑上，會首先在薄弱點處壓潰，降低了碰撞性能。

3 方案分析

首先，按照傳統思路進行某車型壓鑄地板的縱梁加強筋結構設計，為了滿足碰撞性能需要，進行了多次縱梁加強筋的結構方案的更新迭代。如圖7所示，隨著加強筋厚度及數量的增加，零件重量不斷增加，嚴重影響整車的輕量化水平，同時增加了零件成本。

為了得到性能、成本、重量更優的產品，先摒棄傳統設計理念，從事物的第一性原理出發，考慮力的傳遞路徑，使力的傳遞效率最大化，如圖8可知，在力的傳遞過程中，直線的傳遞效率最高。

因此，將加強筋的布局遵從力的傳遞路徑，使筋的方向重疊或平行于力的傳遞方向，確保能量的傳遞效率最大化，使每一個筋發揮其力學性能范圍內的最大作用，用最少的材料獲得最大的性能收益，其設計理念如圖9所示。

此外，眾所周知，在所有的圖形當中，三角形的穩定性最好，一方面，因三角形的任意兩邊確定第三邊，每條邊兩個端點之間的距離固定，這樣，這兩條邊的夾角也被固定，這種特性使得三角形在受到外力作用時，角度和邊長的變化受到限制，從而具有較強的穩定性；另一方面，從幾何學的角度，三角形具有最少的頂點和邊數，這使得其結構相對簡單，更容易保持穩定，三角形內角之和恒等于180°，這種結構特點和角度關系限制了三角形在受到外力作用時的形變，進一步增強了其穩定性。因此，在上述直線主筋的傳遞路徑上增加輔助加強筋，使其形成多個疊套的三角形結構，增加其抵抗變形的能力，如圖10所示。

這樣，在保證力的傳遞效率最大化和結構傳遞的連續性和穩定性的同時，再根據仿真模型在不敏感的位置對輔助加強筋的布置以及結構進行優化。從而減少了加強筋的數量和厚度，縮小了縱梁Z向高度，最大限度的把空間留給底盤硬點布置和車內用戶，滿足了后碰相關要求，同時大大提高了車身的輕量化水平。

據統計按照該種策略進行某車型壓鑄地板后縱梁加強筋的設計，相比傳統設計，加強筋數量由原來的52條減少至24條，重量減輕3.5kg，成本降低175元，同時滿足了座椅、懸架、后碰安全各方的要求，詳見表1所示。

4 方案驗證

對本方案實物產品進行各類子系統試驗均與仿真分析接近，綜合性能表現優越，整車后碰試驗均能滿足C-NCAP、E-NCAP以及美國88km/h的后碰安全試驗，如圖11所示。

5 總結

對于一體壓鑄地板后縱梁加強筋的設計策略，通過顛覆傳統方案，進行創新性的優化設計，使其在重量、成本、綜合性能以及對于布置的友好性上都取得了較大收益，為相關設計研發人員提供了技術參考，從而推動一體壓鑄件在車身上的應用向更高更好地方向發展。

參考文獻：

[1]張東升，李彥云，李超.車身零部件成形工藝發展趨勢研究[J].鍛造與沖壓，2022（02）.

[2]彭立明.非熱處理高強韌壓鑄鋁合金及其汽車結構件應用[C].第十八屆中國鑄造協會年會，2020.

[3]曾鑫.一種車身后地板框架結構[P].2018.

[4]林佳武.一種車輛后縱梁集成結構及車輛[P].2020.

[5]劉超.后地板總成和車輛[P].2022.

[6]方金剛.一種后地板總成結構及汽車[P].2023.

[7]車躍光.后車架連接件、后地板總成安裝結構以及汽車[P].2023.